彩色数字图像处理基础

彩色数字图像处理的知识路线：
可见光——视网膜———— 颜色模型————图像属性描述
有了一定的图像知识，对图像进行处理的时候，大多数都进行了灰度化，慢慢的以后才会接触彩色图像，因为是基础，所以就在前面这里简单介绍一下，到了后面彩色图像的应用的时候，知道一点总是好的，虽然开始阶段用不到。
一 可见光
在我们平时看到的彩色来说，需要了解一下，可见光，可见光是波长在400 nm～700 nm之间的电磁波，我们看到的大多数光不是一种波长的光，而是由许多不同波长的光组合成的。对于波长什么概念呢？就是说对于所有的波长有几乎相同反射的物体被看成是白色，而一个吸收大部分入射光的物体就是黑色，对于黄色是吸收大部分565~590nm范围波长的能量。



二 视网膜
知道了可见光，还是说彩色RGB的事情，要说的是人的视网膜，有柱细胞和锥细胞，其中的锥细胞有三种，经过了科学的研究，最后人类就定义了标准，就是我们所说的光的三原色，红，绿，蓝，由此也产生了RGB XYZ等等的彩色类型



三 颜色模型
颜色模型(colormodel)是用简单方法描述所有颜色的一套规则和定义，例如RGB，CM Y，YCrCb等都是表示颜色的颜色模型。
1. 显示彩色图像用RGB相加混色模型
一个能发出光波的物体称为有源物体，它的颜色由该物体发出的光波决定，并且使用RGB相加混色模型。电视机和计算机显示器使用的阴极射线管(cathode raytube，CRT)就是一个有源物体。CRT使用3个电子枪分别产生红(Red)、绿(Green)和蓝(Blue)三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生颜色，如图5-01所示。组合这三种光波以产生特定颜色就叫做相加混色，因为这种相加混色是利用R，G和B颜色分量产生颜色，所以称为RGB相加混色模型。相加混色是计算机应用中定义颜色的基本方法。
当三基色等量相加时，得到白色；等量的红绿相加而蓝为0值时得到黄色；等量的红蓝相加而绿为0时得到品红色；等量的绿蓝相加而红为0时得到青色。



2. (hue-saturation-lightness，HSL)颜色模型
　 在HSL模型中，H定义颜色的波长，称为色调；S定义颜色的强度(intensity)，表示颜色的深浅程度，称为饱和度；L定义掺入的白光量，称为亮度。若把S和L的值设置为1，当改变H时就是选择不同的纯颜色；减小饱和度S时，就可体现掺入白光的效果；降低亮度时，颜色就暗，相当于掺入黑色。
3. 打印彩色图像用CM Y相减混色模型
用彩色墨水或颜料进行混合，这样得到的颜色称为相减色。在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基本颜料按一定比例混合得到。这三种颜色是青色(Cyan)、品红(M agenta)和黄色(Yellow).
四. 图像属性
知道了图像的彩色类型，要知道图像的属性，描述一幅图像需要使用图像的属性。图像的属性包含分辨率、像素深度、真/伪彩色、图像的表示法和种类等。
1. 显示分辨率
　　显示分辨率是指显示屏上能够显示出的像素数目。例如，显示分辨率为640×480表示显示屏分成480 行，每行显示640个像素，整个显示屏就含有307200个显像点。屏幕能够显示的像素越多，说明显示设备
的分辨率越高，显示的图像质量也就越高。除手提式计算机用液晶显示LCD(liquid crystal display)外，一般都采用CRT显示，它类似于彩色电视机中的CRT。显示屏上的每个彩色像点由代表R，G，B三种模拟信号的相对强度决定，这些彩色像点就构成一幅彩色图像。
　　计算机用的CRT和家用电视机用的CRT之间的主要差别是显像管玻璃面上的孔眼掩模和所涂的荧光物不同。孔眼之间的距离称为点距(dotpitch)。因此常用点距来衡量一个显示屏的分辨率。电视机用的CRT 的平均分辨率为0.76 mm，而标准SVGA显示器的分辨率为0.28 mm。孔眼越小，分辨率就越高，这就需要
更小更精细的荧光点。这也就是为什么同样尺寸的计算机显示器比电视机的价格贵得多的原因。
　　早期用的计算机显示器的分辨率是0.41 mm，随着技术的进步，分辨率由0.41→0.38→0.35→0.31→0.28一直到0.26 mm以下。显示器的价格主要集中体现在分辨率上，因此在购买显示器时应在价格和性能上综合考虑。
显示分辨率是确定屏幕上显示图像的区域的大小。显示分辨率有最大显示分辨率和当前显示分辨率之
别。最大显示分辨率是由物理参数，即显示器和显示卡（显示缓存）决定的。当前显示分辨率是由当前设置的参数决定的。
2.图像分辨率
　　图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对同样大小的一幅图，如果组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来就越逼真。相反，图像显得越粗糙。
　　在用扫描仪扫描彩色图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少点(dots per inch，DPI)表示。如果用300 DPI来扫描一幅8″×10″的彩色图像，就得到一幅2400×3000个像素的图像。分辨率越高，像素就越多。
　　图像分辨率与显示分辨率是两个不同的概念。图像分辨率是确定组成一幅图像的像素数目，而显示分辨率是确定显示图像的区域大小。如果显示屏的分辨率为640×480，那末一幅320×240的图像只占显示屏的1/4；相反，2400×3000的图像在这个显示屏上就不能显示一个完整的画面。
　　这里顺便说一下，在显示一幅图像时，有可能会出现图像的宽高比(aspect radio)与显示屏上显示出的图像的宽高比不一致这种现象。这是由于显示设备中定义的宽高比与图像的宽高比不一致造成的。例如一幅200×200像素的方形图，有可能在显示设备上显示的图不再是方形图，而变成了矩形图。这种现象在20 世纪80年代的显示设备上经常遇到。
3. 像素深度
像素深度是指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那末一个像素共用24位表示，就说像素的深度为24，每
个像素可以是224=16 777216种颜色中的一种。在这个意义上，往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，而它的深度就越深。
　　虽然像素深度或图像深度可以很深，但各种VGA的颜色深度却受到限制。例如，标准VGA支持4位16 种颜色的彩色图像，多媒体应用中推荐至少用8位256种颜色。由于设备的限制，加上人眼分辨率的限制，一般情况下，不一定要追求特别深的像素深度。此外，像素深度越深，所占用的存储空间越大。相反，如果像素深度太浅，那也影响图像的质量，图像看起来让人觉得很粗糙和很不自然。
　　在用二进制数表示彩色图像的像素时，除R，G，B分量用固定位数表示外，往往还增加1位或几位作为属性(Attribute)位。例如，RGB 5∶5∶5表示一个像素时，用2个字节共16位表示，其中R，G，B各占5 位，剩下一位作为属性位。在这种情况下，像素深度为16位，而图像深度为15位。
　　属性位用来指定该像素应具有的性质。例如在CD-I系统中，用RGB 5∶5∶5表示的像素共16位，其最高位(b15)用作属性位，并把它称为透明(Transparency)位，记为T。T的含义可以这样来理解：假如显示屏上已经有一幅图存在，当这幅图或者这幅图的一部分要重叠在上面时，T位就用来控制原图是否能看得见。例如定义T=1，原图完全看不见；T=0，原图能完全看见。
　在用32位表示一个像素时，若R，G，B分别用8位表示，剩下的8位常称为α通道(alphachannel)位，或称为复盖(overlay)位、中断位或属性位。它的用法可用一个预乘α通道(premultiplied alpha)的例子说明。假
如一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用规一化的数值表示，(A，R，G，B)为(1，1，0，0)时显示红
色。当像素为(0.5,1,0,0)时，预乘的结果就变成(0.5,0.5,0,0)，这表示原来该像素显示的红色的强度为1，而现在显示的红色的强度降了一半。
　　用这种办法定义一个像素的属性在实际中很有用。例如在一幅彩色图像上叠加文字说明，而又不想让文字把图复盖掉，就可以用这种办法来定义像素，而该像素显示的颜色又有人把它称为混合色(key
color)。在图像产品生产中，也往往把数字电视图像和计算机生产的图像混合在一起，这种技术称为视图混合(videokeying)技术，它也采用α通道。
图像深度是图像文件中记录一个像素点所需要的位数；显示深度表示显示缓存中记录屏幕上一个点的位数（bit），也即显示器可以显示的色彩数。因此，显示一幅图像时，屏幕上呈现的色彩效果与图像文件
所提供的色彩信息有关，也即与图像深度有关；同时也与显示器当前可容纳的色彩容量有关，也即与显示深度有关。
4. 真彩色、伪彩色与直接色
　　搞清真彩色、伪彩色与直接色的含义，对于编写图像显示程序、理解图像文件的存储格式有直接的指导意义，也不会对出现诸如这样的现象感到困惑：本来是用真彩色表示的图像，但在VGA显示器上显示的图像颜色却不是原来图像的颜色。
　　（1）. 真彩色(true color)
　　真彩色是指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度，这样产生的彩色称为真彩色。例如用RGB 5∶5∶5表示的彩色图像，R，G，B各用5 位，用R，G，B分量大小的值直接确定三个基色的强度，这样得到的彩色是真实的原图彩色。
　　如果用RGB 8:8:8方式表示一幅彩色图像，就是R，G，B都用8位来表示，每个基色分量占一个字节，共3个字节，每个像素的颜色就是由这3个字节中的数值直接决定，可生成的颜色数就是224 ＝16777 216
种。用3个字节表示的真彩色图像所需要的存储空间很大，而人的眼睛是很难分辨出这么多种颜色的，因此在许多场合往往用RGB 5:5:5来表示，每个彩色分量占5个位，再加1位显示属性控制位共2个字节，生成的真颜色数目为215 = 32K。
　　在许多场合，真彩色图通常是指RGB8:8:8，即图像的颜色数等于224，也常称为全彩色(fullcolor)图像。但在显示器上显示的颜色就不一定是真彩色，要得到真彩色图像需要有真彩色显示适配器。
　　（2）伪彩色(pseudo color) 　
　伪彩色图像的含义是，每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B值，用查找出的R，G，B值产生的彩色称为伪彩色。
（3）直接色(directcolor)
　　每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的R，G，B强度值产生的彩色称为直接色。它的特点是对每个基色进行变换。

　　这种系统与真彩色系统相比，相同之处是都采用R，G，B分量决定基色强度，不同之处是前者的基色强度直接用R，G，B决定，而后者的基色强度由R，G，B经变换后决定。因而这两种系统产生的颜色就有差别。